中國(guó)科大造出“全能光電小元件”

新型光電二極管實(shí)現(xiàn)“看、記、想”一體

3月24日，記者從中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲悉，該校集成電路學(xué)院孫海定教授iGaN實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合加拿大麥吉爾大學(xué)、澳大利亞國(guó)立大學(xué)、浙江大學(xué)、英國(guó)劍橋大學(xué)及武漢大學(xué)等多所高校的科研團(tuán)隊(duì)，成功研制出集感光、存儲(chǔ)、處理于一體的新型光電二極管，讓傳統(tǒng)PN二極管從單一功能變?yōu)榭煽?、可記、可想的“多面手”，為智能視覺硬件開辟全新路徑。相關(guān)成果3月20日在線發(fā)表在國(guó)際知名期刊《Nature Electronics》。

二極管是電子設(shè)備最基礎(chǔ)的“積木”，傳統(tǒng)光電二極管只會(huì)“感光”，要做成相機(jī)，必須搭配存儲(chǔ)器和處理器，不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜、耗電高，還容易出現(xiàn)延遲。中國(guó)科大團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，在氮化鎵PN結(jié)里巧妙加入一層特殊材料，造出微型“電荷儲(chǔ)蓄池”，讓單個(gè)二極管突破物理限制，變身“全能選手”。只需調(diào)節(jié)電壓，它就能呈現(xiàn)三種獨(dú)立且可自由切換的工作模式：光電感知、光電突觸和光電存儲(chǔ)，最終實(shí)現(xiàn)圖像感知、圖像降噪和圖像分類的功能。這種基于電壓切換和調(diào)控的三種PN結(jié)工作模式的功能突破，有望開發(fā)出具備實(shí)時(shí)感知與邊緣圖像降噪與分類的類腦智能感知相機(jī)。

團(tuán)隊(duì)用10×10的二極管陣列，構(gòu)建了一套具備感、存、算一體化功能的類腦視覺相機(jī)的演示系統(tǒng)。測(cè)試顯示，這臺(tái)相機(jī)不用外接電腦或存儲(chǔ)芯片，就能原位完成全流程處理：先拍下帶噪聲的圖像，再硬件級(jí)自動(dòng)降噪，最后直接識(shí)別分類。原本識(shí)別率不足60%，處理后準(zhǔn)確率提升到95%以上，功耗和體積大幅下降。

該工作提出并驗(yàn)證了一種基于傳統(tǒng)PN結(jié)二極管結(jié)構(gòu)的超緊湊、多功能、低功耗前沿光電感知器件新范式。這一突破打破了長(zhǎng)期以來“感光、存儲(chǔ)、計(jì)算分開”的行業(yè)瓶頸。過去相機(jī)依賴感光、存儲(chǔ)、計(jì)算分開的架構(gòu)，數(shù)據(jù)需在不同芯片間頻繁搬運(yùn)；現(xiàn)在單個(gè)元件包辦全部工作，更省電、更小巧、響應(yīng)更快。

未來，該能帶設(shè)計(jì)理念可以擴(kuò)展至其他半導(dǎo)體材料體系中，以實(shí)現(xiàn)覆蓋更寬范圍的工作波長(zhǎng)和更高的集成度。由于該二極管的制造高度兼容現(xiàn)有的硅基半導(dǎo)體微納加工工藝，這不僅為解決傳統(tǒng)視覺傳感器或相機(jī)的高功耗與數(shù)據(jù)延遲問題提供了新的思路，更為下一代大規(guī)模、低功耗、高能效的邊緣計(jì)算視覺終端、類腦計(jì)算芯片及智能機(jī)器視覺系統(tǒng)的研發(fā)提供了極具潛力的硬件解決方案。

據(jù)了解，該技術(shù)在手機(jī)相機(jī)、安防監(jiān)控、工業(yè)檢測(cè)、無人機(jī)等領(lǐng)域均具有應(yīng)用潛力。比如，可以助力未來手機(jī)相機(jī)模組更薄、拍照更清晰、AI識(shí)圖更省電；戶外攝像頭不用頻繁充電，本地就能識(shí)別人車、過濾干擾；醫(yī)療便攜設(shè)備可快速成像并初步分析，助力基層診療。（張玉蓮）